Credito:Oak Ridge National Laboratory
Ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e dell'Università del Tennessee, Knoxville, stanno facendo avanzare i materiali delle membrane a gas per espandere le opzioni tecnologiche pratiche per ridurre le emissioni industriali di carbonio.
Risultati pubblicati in chimica dimostrare un metodo di fabbricazione per materiali a membrana in grado di superare gli attuali colli di bottiglia in termini di selettività e permeabilità, variabili chiave che guidano le prestazioni di cattura del carbonio in ambienti reali.
"Spesso c'è un compromesso su quanto sia selettivo o permeabile è possibile realizzare membrane che filtrano l'anidride carbonica senza consentire il passaggio di altri gas. Lo scenario ideale è creare materiali con elevata permeabilità e selettività, " ha detto Zhenzhen Yang del Dipartimento di Chimica di UT.
Le membrane a gas sono una tecnologia promettente ma ancora in via di sviluppo per ridurre le emissioni post-combustione o di gas di scarico prodotte dalle industrie a combustibili fossili.
Il concetto è semplice:un sottile, la membrana porosa funge da filtro per le miscele di gas di scarico, permettendo selettivamente l'anidride carbonica, o CO 2 , fluire liberamente in un collettore mantenuto a pressione ridotta, ma prevenendo l'ossigeno, azoto e altri gas dall'etichettatura lungo.
A differenza dei metodi chimici esistenti per catturare la CO 2 da processi industriali, le membrane sono facili da installare e possono funzionare incustodito per lunghi periodi senza passaggi aggiuntivi o costi energetici aggiuntivi. Il trucco è che nuovo, sono necessari materiali economici per aumentare la tecnologia per l'adozione commerciale.
"Le membrane a gas necessitano di pressione da un lato e tipicamente un vuoto dall'altro per mantenere un ambiente a flusso libero, ecco perché la selettività e la permeabilità dei materiali sono così importanti per lo sviluppo della tecnologia, " ha affermato Ilja Popovs della divisione di scienze chimiche dell'ORNL. "I materiali poco performanti richiedono più energia per spingere i gas attraverso il sistema, quindi i materiali avanzati sono la chiave per mantenere bassi i costi energetici."
Nessun materiale naturale e solo pochi sintetici hanno superato quello che viene chiamato il limite superiore di Robeson, un confine noto che limita quanto selettiva e permeabile può essere la maggior parte dei materiali prima che questi tassi inizino a diminuire.
I materiali con selettività e permeabilità sufficientemente elevate per separazioni di gas efficienti sono rari e spesso realizzati con materiali di partenza costosi la cui produzione richiede sintesi lunghe e noiose o catalizzatori di metalli di transizione costosi.
"Abbiamo deciso di testare un'ipotesi secondo cui l'introduzione di atomi di fluoro nei materiali della membrana potrebbe migliorare la cattura del carbonio e le prestazioni di separazione, " ha detto Yang.
L'elemento fluoro, utilizzato per realizzare prodotti di consumo come teflon e dentifricio, offre proprietà di anidride carbonica che lo rendono attraente per le applicazioni di cattura del carbonio. È anche ampiamente disponibile, rendendolo un'opzione relativamente conveniente per i metodi di fabbricazione a basso costo. La ricerca sulle membrane per gas fluorurati è stata limitata a causa delle sfide fondamentali dell'incorporazione del fluoro nei materiali per realizzare la sua funzionalità amante del carbonio.
"Il nostro primo passo è stato creare un polimero unico a base di fluoro utilizzando semplici metodi chimici e materiali di partenza disponibili in commercio, " ha detto Yang.
Prossimo, ricercatori trasformati, o carbonizzato, il materiale utilizzando il calore per conferirgli la struttura porosa e la funzionalità necessarie per catturare la CO 2 . Il processo in due fasi ha preservato i gruppi fluorurati e aumentato la CO 2 selettività nel materiale finale, superando un ostacolo fondamentale incontrato in altri metodi sintetici.
"L'approccio ha portato a un materiale biossido di carbonio con elevata area superficiale e ultra-micropori che è stabile in condizioni operative ad alta temperatura, "Ha detto Yang. "Tutti questi fattori lo rendono un candidato promettente per la cattura del carbonio e le membrane di separazione".
Il nuovo design del materiale contribuisce alle sue eccezionali prestazioni, osservato in alti tassi di selettività e permeabilità che superano il limite superiore di Robeson, qualcosa che solo una manciata di materiali ha realizzato.
"Our success was a material achievement that demonstrates feasible routes for leveraging fluorine in future membrane materials. Moreover, we achieved this goal using commercially available, inexpensive starting materials, " Popovs said.
The basic discovery expands the limited library of practical options for carbon-capture membranes and opens new directions for developing fluorinated membranes with other task-specific functionalities.
Researchers aim to next investigate the mechanism by which fluorinated membranes absorb and transport CO 2 , a fundamental step that will inform the design of better carbon-capture systems with materials purposely tailored to grab CO 2 emissioni.
